變頻空調(diào)主板散熱器仿真方法與實驗研究

肖 慶 李金偉 張敏雄

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

隨著電力電子器件的尺寸越來越小，其頻率和集成度不斷提高，使得電子元器件單位面積的功率越來越高，因此過熱問題變得越來越突出[1]。試驗與研究表明，電子元器件的性能對溫度十分敏感，電子元器件的失效率隨溫度的升高呈指數(shù)增長趨勢，溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)可靠性將降低50 %，據(jù)統(tǒng)計，超過55 %的電子元器件及電子設備的失效是由于溫度過高引起的[2,3]。

家用空調(diào)器室外機運行時，控制器中的智能功率模塊（intelligent power module，IPM），絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）、二極管（Diode）與整流橋（Rectifier bridge）4個元器件會產(chǎn)生很大的熱量，若熱量未能及時排出，元器件溫度會不斷上升，導致壓縮機限頻乃至停機，致使空調(diào)性能降低?，F(xiàn)有空調(diào)上的散熱器多考慮通用化，且散熱器的設計多以實驗為主。新開發(fā)散熱器需要有一些文件指導，結合整機工況進行仿真分析，如散熱器擺放的位置決定著流經(jīng)散熱器肋片的空氣流場，而流場又決定著散熱器對流換熱的強度因此針對散熱器散熱的關鍵影響。因此，系統(tǒng)的設計方法及散熱前沿技術的研究是非常有必要的。

1 數(shù)學模型建立

通過散熱設計及仿真，模擬電子設備內(nèi)部熱量的傳導，是電子設備產(chǎn)品開發(fā)常見的開發(fā)流程。如圖1所示，一個完整的散熱器優(yōu)化設計過程應該包括理論計算分析、仿真優(yōu)化分析、實驗測試驗證過程。

圖1 散熱設計流程

熱設計常用的方法，一是選用耐高溫的元器件, 二是采用熱控制的方法。選用耐高溫的元器件，成本迅速提高, 一般的工業(yè)企業(yè)并不適用。熱控制方法的核心是對熱敏器件采用熱保護，并合理設計某些元器件的熱流通路。如元器件安裝在低溫區(qū)，合理選擇熱源元器件的熱流通路，或增加強制散熱等保護措施。

此外，采用合理的安裝技術、優(yōu)化元器件布局、減少設備的發(fā)熱量等也是熱設計常用的方法。在設計中，通常是幾種設計方法同時進行, 從而達到最優(yōu)的熱設計效果[4]。

散熱技術是采取有效措施來散發(fā)或傳導電子設備熱量的技術。熱量一般通過導熱、對流和熱輻射三種方式進行傳遞[1,5]。

導熱是指物體各部分之間不發(fā)生相對位移依靠分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞過程。導熱過程中傳遞的熱量按照Fourier導熱定律計算：

式中：

Φ—熱量，W；

λ—導熱系數(shù)，W/（m·K）；

A—沿傳熱路徑的橫截面積，m2；

ΔT—熱源與低溫區(qū)的溫度差，℃；

d—傳熱距離，m。

對流是指由于流體的宏觀運動，從而流體各部分之間發(fā)生相對位移、冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。它是依靠流體質點的移動進行熱量傳遞的，與流體的物性、流速以及換熱表面的形狀、大小、布置情況密切相關。對流換熱過程傳遞的熱量按照牛頓冷卻定律計算：

式中：

Φ—熱量，W；

h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；

A—固體壁面換熱面積，m2；

ΔT—流體與壁面的溫差，℃。

熱輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式，是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進行。輻射換熱指的是物體之間互相輻射和吸收熱能的綜合效果，可根據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼定律來計算：

式中：

ε—物體的發(fā)射率，即表面黑度；

σ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/ （m2·K4）；

A—輻射表面積，m2；

T—物體表面熱力學溫度，K。

對流換熱無量綱準則數(shù)：格拉曉夫準則數(shù)，表征浮生力和粘滯力的相對大小。

式中：

g—重力加速度；

Δt—流體和物體壁面溫差；

α—流體容積膨脹系數(shù)；

l—物體幾何定型尺寸；

v—流體運動粘度。

普朗特準則數(shù)，表征流體動量傳遞能力與熱量傳遞能力的相對大小。

式中：

a—流體熱擴散率；

v—流體運動粘度。

雷諾數(shù)，表征流體流動時慣性力與粘滯力的相對大小。

式中：

u—流體流速；

l—物體幾何定型尺寸；

v—流體運動粘度。

努謝爾準則數(shù)，表征了物體表面法向無量綱過余溫度梯度大小，為待準則數(shù)。

式中：

h—對流換熱系數(shù)；

l—物體幾何定型尺寸；

λ—流體熱導率。

仿真分析中的物理模型主要遵守3 大基本控制方程，包括能量守恒方程、質量守恒方程和動量守恒方程，方程分別如下：

1）能量守恒方程[6]：

2）質量守恒方程[7]：

3）動量守恒方程[8]：

式 （8）至式 （12）中：

ρ—密度；

t—時間；

p—流體微元體上的壓力；

τxx、τxy、τxa—因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用微元體表面上的粘性應力τ→的分量；

Fx、Fy、Fz—微元體上的體力，若體力只有重力且Z軸豎直向上，則Fx=Fy=0，F(xiàn)z=-ρg；

Cp—比熱容；

T—溫度；

k—流體的傳熱系數(shù)；

ST—流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分，ST簡稱為粘性耗散項。

2 仿真研究與分析

2.1 散熱器參數(shù)與元器件功率估算

散熱器散熱過程主要為導熱與對流換熱，目前散熱器常用材料為6063-T5鋁型材。芯片散熱的熱阻分析過程主要是芯片與封裝外殼的熱阻Rjc、封裝外殼與散熱器之間的接觸熱阻Rcs、散熱器自身的導熱熱阻Rs、散熱器與空氣的換熱熱阻Rsa，總熱阻為R=Rjc+Rcs+Rs+Rsa。芯片封裝與散熱器基板之間涂有界面導熱材料，一般為導熱硅脂，為了隔絕空氣層，減小接觸熱阻。由對流傳熱牛頓冷卻公式Q=h·A·ΔT可知，增加換熱溫差、增大換熱面積、提高對流換熱系數(shù)可以提升散熱器性能。

如圖2所示，影響散熱器性能的主要參數(shù)有：散熱器的寬度（W1）、基板寬度（W）、肋片長（L）、肋片高（Hf）、基板厚度（B）、肋片厚度（t）、肋片數(shù)量（N），邊緣長度L1（L1=W1-W）述的診本文仿真計算散熱器及結構參數(shù)如表1所示。

表1 仿真計算散熱器及結構參數(shù)（單位：mm）

圖2 散熱器結構參數(shù)

通?？梢圆捎迷骷畲筘摵蓙磉M行估算，以整機輸入功率為依據(jù)，對于整機的電源輸入功率而言，功率因數(shù)校正電路（PFC）電路的效率約為（96～97）%，除去電感外，整流橋、二極管和IGBT的共同消耗可以按1.5 %評估。IPM的逆變效率約是96 %左右，IPM按2 %的消耗來估算。經(jīng)此核算，IPM熱耗為7.92 W，IGBT熱耗為10.704 W，二極管熱耗為3.204 W，整流橋熱耗為14.152 W。這樣的估算，可以賦予仿真一個初始值，但是整機功率在不同工況、不同系統(tǒng)、不同條件下變化不確定或獲得不容易，所以無法確定最惡劣情況或漏算最惡劣工況，仿真需要基于此初始值進行修正，確定仿真參數(shù)。

2.2 仿真模型與邊界條件

本文使用ANSYS中的Fluent模塊進行仿真計算，優(yōu)化得到滿足元器件散熱需求，又滿足散熱器減重的模型后，再進行相關實驗測試。

Fluent軟件可以較好的模擬流體流動、熱傳導以及其他物理化學耦合過程等計算。該研究基于Fluent進行三維數(shù)值模擬。在求解設置中，采用有限容積法對控制方程進行離散化處理，使用k-e運用coupled算法對壓力和速度方程進行耦合處理，采用二階迎風格式對動量方程的對流項和擴散項進行空間離散化，數(shù)值計算的求解精度為10-6。

本文使用使用CREO三維軟件建立模型，再用SCDM軟件簡化處理，將簡化后的模型導入Fluent meshing軟件進行網(wǎng)格劃分。之后在Fluent中導入網(wǎng)格文件，選擇相應的求解模型，并設置求解器參數(shù)、邊界條件及初始條件；最終迭代計算獲得結果并進行分析。為驗證對比進出口勻速的簡化設置與風機旋轉氣流的影響，本文建立兩種仿真模型，分別為仿真1（圖3（a））與仿真2（圖3（b））。數(shù)學模型按照空調(diào)外機實際模型建立，設置壓力進口、壓力出口、絕熱壁面與耦合壁面四種邊界條件。其中，散熱器與空氣接觸壁面、芯片與散熱器接觸壁面、芯片與空氣接觸壁面采用coupled交界面耦合設置。仿真2與仿真1相比，除空氣流域中增加旋轉風葉區(qū)域外，其他均相同，旋轉風葉區(qū)域與空氣流域交界面進行耦合處理，并設置frame motion旋轉坐標系。

如圖3至圖4所示，對模型進行網(wǎng)格劃分，采用poly多面體網(wǎng)格，并設置散熱器與芯片處膨脹層，仿真1網(wǎng)格單元數(shù)約220萬，仿真2網(wǎng)格單元數(shù)約310萬，最大扭曲度skewness均為0.6以下。

圖3 仿真模型

圖4 網(wǎng)格劃分

2.3 仿真結果分析

仿真1與仿真2中，各芯片source terms值設置相同，仿真1中outlet設置壓力出口，流量0.685 kg/s，仿真2設置風葉轉速270 rpm，計算得出口流量0.669 kg/s，空氣計算溫度均設置56 ℃。

仿真結果如表2所示。

表2 仿真結果—各元器件溫度

1）仿真結果各元器件溫度如圖5所示，散熱器及各元器件溫度分布云圖如圖6～7所示。由于元器件熱功耗估算無法做到精確，因此根據(jù)下文實驗結果，以case-1散熱器為計算基準，對仿真1中各元器件熱耗進行修正，使其元器件溫度誤差小于0.5 %，之后各元器件熱耗設為定值，只改變散熱器參數(shù)，以單一變量為原則，進行仿真計算。

圖5 仿真結果—各元器件溫度

圖6 Case-1仿真結果對比

圖7 Case-2仿真結果對比

根據(jù)仿真結果

使用case-1散熱器、仿真1計算時，各元器件平均溫度為77.18 ℃；

使用case-1散熱器、仿真2計算時，各元器件平均溫度為70.85 ℃；

使用case-2散熱器、仿真1計算時，各元器件平均溫度為76.87 ℃；

使用case-2散熱器、仿真2計算時，各元器件平均溫度為71.90 ℃；

使用case-1散熱器計算時，仿真2中元器件平均溫度比仿真1中元器件平均溫度低6.33 ℃；使用case-2散熱器計算時，仿真2中元器件平均溫度比仿真1中元器件平均溫度低4.97 ℃；證明增加旋轉風葉區(qū)域的模型中（仿真2），散熱器周圍空氣流場更為復雜，擾動更加劇烈，換熱效果更好。仿真1與仿真2存在約7.6 %的誤差。

使用仿真1計算時，case-1散熱器元器件平均溫度比case-2散熱器元器件平均溫度高0.32 ℃；使用仿真2計算時，case-1散熱器元器件平均溫度比case-2散熱器元器件平均溫度低1.05 ℃；兩者誤差較大，是因為仿真1簡化了外機內(nèi)的空氣流場，造成散熱器周圍空氣流場同時簡化，造成兩者流場不相同，導致散熱器散熱性能不同。

3 實驗驗證與分析

為驗證仿真結果，在焓差實驗臺對散熱器進行驗證。通過焓差實驗臺調(diào)節(jié)風量，設置相應的外環(huán)和內(nèi)環(huán)溫度、濕度，與實際測試數(shù)據(jù)比較，驗證仿真精度。首先，需要在各元器件上布置熱電偶，并在各個元器件與散熱器接觸表面均勻涂上散熱膏，再用溫度計量器讀取前面布置的各點溫度。高溫制冷工況是模擬室外較為惡劣的環(huán)境溫度，可以較為真實的檢驗室外側電子器件運行狀況。如下選取某機型測試各個元器件溫度，經(jīng)過外機散熱器后，空調(diào)器外機控制器盒處環(huán)境溫度約為54 ℃。實驗結果如表3、圖8所示。

圖8 實驗結果

表3 實驗結果—各元器件溫度

根據(jù)實驗結果：

使用case-1散熱器時，各元器件平均溫度為76.89℃；

使用case-2散熱器時，各元器件平均溫度為78.56℃；

使用case-1散熱器元器件平均溫度比使用case-2散熱器元器件平均溫度低1.67 ℃； 圖9 實驗與仿真對比實驗結果與ANSYS Fluent仿真結果對比如圖9所示，根據(jù)結果可以得出，使用仿真2進行計算時，能更準確的反應出更改散熱器參數(shù)造成的散熱器性能的變化。

圖9 實驗與仿真對比

仿真2元器件平均溫度與實驗值相差較大，主要是因為校核元器件熱耗時是根據(jù)case-1仿真1模型進行校核的，因此可以重新校核case-1仿真2模型中元器件熱耗后，更改散熱器參數(shù)后進行仿真計算，具有較高的精度。

根據(jù)上述仿真結果，仿真1與仿真2均能大體反應出變頻空調(diào)室外機散熱器參數(shù)變化后，各元器件溫度的變化趨勢與大致范圍與散熱器的散熱性能。但是，仿真2比仿真1需要更多的計算機計算資源。

4 總結

本文使用ANSYS Fluent軟件，通過兩種仿真方法，對分體式空調(diào)室外機與主板芯片冷卻散熱器進行數(shù)值模擬，實驗與仿真結果表明，仿真1計算量小，但精度較低，適合粗略計算；仿真2計算量大，但精度高，適合對比優(yōu)化分析。以case-1散熱器，仿真1為基準。校核元器件熱功耗后，分別使用仿真1與仿真2對case-1散熱器、case-2散熱器進行計算，對比試驗結果，仿真1中元器件溫度最大溫差為2.7 ℃，最大誤差為9.74 %；仿真2中元器件溫度變化值最大溫差為1.47 ℃；最大誤差為26.35 %。實驗與仿真結果表明，仿真1計算量小，但精度較低，適合粗略計算；仿真2計算量大，但精度高，適合對比優(yōu)化分析。仿真值與實驗值吻合良好，說明了仿真結果的準確性，對今后空調(diào)主板散熱器的數(shù)值仿真計算具有一定的指導意義。